JP2016089079A

JP2016089079A - 廃棄プラスチックの油化装置

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Publication number: JP2016089079A
Application number: JP2014226691A
Authority: JP
Inventors: 清中島; Kiyoshi Nakajima
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2014-11-07
Filing date: 2014-11-07
Publication date: 2016-05-23

Abstract

【課題】廃棄プラスチックから補助燃料として使える油を回収する連続式油化技術に関し、油化する廃棄プラスチックは、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリスチレン、及びABS樹脂に限定し、炭化物の抑制を図り、生成油の収率を上げることに加え、油化されない炭化水素ガスを安全に処理する、廃棄プラスチックの油化装置を提供する。
【解決手段】廃棄プラスチックの油化装置は、計量器１、スクリューコンベア２、液化タンク３、気化槽４、冷却器５、及び分離器６で構成され、その工程で油化された生成油を貯蔵するフィルタ浄化式油貯留タンク７、及び油にならずに排出されるガスを浄化する、酸化触媒式排ガス処理器８が付設されている構成からなる。
【選択図】図２

Description

本発明は、廃棄されるプラスチックを燃料化する廃棄プラスチックの連続式油化技術に関し、特にポリエチレン（PE）、ポリプロピレン（PP）、ポリスチレン（PS）、ABS樹脂の廃棄されるプラスチック材料を油化すると共に、油化されない炭化水素ガス類を無臭・無害化し、環境に配慮した廃棄プラスチックの油化装置に関するものである。

原油を精製する過程で得られるナフサを原料にして、プラスチック製品は大量に生産され、また、使用済みになって廃棄されるプラスチックも莫大な量に達しているのが現状である。
このような背景から、廃棄されるプラスチック（以下「廃棄プラスチック」と称す）の再利用や再生して、有効利用する取り組みも盛んに行われている。
廃棄プラスチックのリサイクル方法は、マテリアルリサイクル、ケミカルリサイクル、及びサーマルリサイクルがあり、熱エネルギー源として利用するサーマルリサイクルは有効な方法で、その技術のひとつである廃棄プラスチックの油化方法は、燃料として用いることができるので、これまで実用化に向け各種の技術が提案されている。

従来、一般的な廃棄プラスチックの油化方法は、廃棄プラスチックを裁断ないしはそのままの形で、融点以上の温度に加熱分解して気化させ、気化したガスを冷却することで油を生成している。また、油化装置は、連続式の他にバッチ式があるが、本発明は、連続式の油化装置に焦点を当てている。
油の収率が高いプラスチック類は、PE、PP、PS、ABS樹脂であり、これらは容易に低分子化し、その多くは軽・重油等燃料が最終製品として得られる。その際、油化されない低分子の炭化水素ガス類もあるので、そのガスは、一般的にはアフターバーナー等で燃焼処理して無害化されている。

特許文献１には、廃棄プラスチックを溶融しゲル状化して送り出す押出装置と、溶融プラスチックを貯留して加熱溶融する併設のバッファタンクと、溶融プラスチックを熱分解してプラスチック蒸気とする併設の傾斜管とで主に構成され、プラスチック蒸気を冷却して油化する廃棄プラスチックの油化装置が提案されている。
その処理機能は、押出装置のコニカルスクリューでプラスチックを圧縮溶融しゲル状化させてバッファタンクに送り、バッファタンクにはヒーターで巻回された４本の加熱筒を有し、３５０〜４００℃程度に一定時間加熱された後、傾斜管に送り込み、傾斜管では完全に熱分解されたプラスチック蒸気となり、傾斜管での熱分解負担が減少することで、プラスチックの処理量が増大し、傾斜管の容量が小さくても、大量のプラスチックの熱分解が可能であるとされている。

特許文献２には、廃棄プラスチックを油化する時に発生する有害ガスを処理する有害ガス処理装置が提案されている。
有害ガス処理装置は、採取油とオフガスとを分離するオフガス分離タンクの後段に設置して、オフガス送り管、混合室、放熱筒、触媒収納室で構成されている。
混合室にはファンが設置され、オフガスに空気を取入れ、混合されたガスが放熱筒を経て触媒収納室に送られるようになっている。
触媒収納室には、粒状セラミック多孔体に白金を担持した酸化触媒が充填されており、また、触媒収納室外周面にはバンドヒーターが巻回され、酸化触媒が活性化する温度以上に保温するようにしている。
放熱筒では、触媒収納室で発生する熱を混合室のファン駆動モーターに伝播されにくいようにしている。

以上のように構成された有害ガス処理装置の機能としては、油化装置で発生したオフガス（CH_４、C_２H_６、C_３H_８、C_４H_１０等）に空気を混合して２５０〜３００℃に加熱することで、触媒作用で炭酸ガスと水に分解される。
発泡スチロールの油化では、メチレンクロライド（CH_２Cl_２）を塩化水素ガス（HCl）と炭酸ガス（CO_２）と水（H_２O）に分解し、塩化水素ガスを苛性ソーダ（NaOH）で処理して無害化される。
ABS樹脂の油化では、シアン化水素（HCN）を炭酸ガスと水と窒素ガスに無害化される。

特開２０１３−４０２４６号公報特開２０１０−２８４５６５号公報

ところが、従来技術の油化方法の多くは、廃棄プラスチックに対する加熱温度が不適正で、一部が高温化して炭化物が生成され、それが機器の内壁に付着することで、さらに熱伝導を阻害し、望ましい組成の油を収率良く得ることが出来ないといった問題があった。
前記した問題は、装置のメンテナンスに多大の労力と時間が必要となり、さらに、反応過程の危険性が増すことになるので、商業的な活用が見いだせない課題があった。

前記の特許文献の課題は以下の通りである。
特許文献１では、加熱筒の前段の押出装置にはヒーター加熱の記載はなく、圧縮熱によって溶融するとされているので、加熱筒内部全体のプラスチックを満遍なく気化させるには、ヒーターの温度設定を必要以上に高くする必要があり、そのことで加熱筒に接したプラスチックは高温に晒され、加熱筒内部壁面での炭化物生成等で油化の収率が落ち、同時にプラスチックの流れが阻害され、その除去のメンテナンス頻度が増すなどの課題があった。

特許文献２では、オフガスとされる炭化水素ガス類は、そのほとんどは可燃性ガスであり、そのうち発火点が低いガス、例えば、オフガスの発生事例に示されているC_４H_１０（ノルマルブタン）は、３８４℃程度で自然発火するので、
バンドヒーターの加熱で触媒筒自体が３８４℃を超えた場合、空気の流入による燃焼の３条件（可燃物・酸素・温度）が揃い、触媒層入口付近で自然発火し、触媒は高熱に晒され機能を失うという課題があった。
塩化水素が発生するプラスチックの油化の場合は、酸化触媒では処理できないため、スクラバー等による中和処理装置が別に必要となり、設備の規模が大きくなるなどの課題があった。

本発明は上記課題を解決するために、開発に努力した結果、下記構成の油化装置に想到した。

請求項１は、裁断した廃棄プラスチックを計量して供給する計量器と、計量器から供給された廃棄プラスチックを加熱する加熱部を設けて溶融状態にして搬送するスクリューコンベアと、溶融状態の廃棄プラスチックを加熱する加熱部を設けて液化する液化タンクと、液化された廃棄プラスチックを気化させる気化槽と、気化されたガス状の成分を冷却する冷却器と、冷却された成分を油と低分子ガスに分離する分離器と、生成された油を貯留する油貯留タンクと、低分子ガスは触媒で浄化する酸化触媒式排ガス処理機とを備えた廃棄プラスチックを油化する連続式油化装置であって、廃棄プラスチックは、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリスチレン、及びABS樹脂に限定して油化し、生成油はそのまま補助燃料に使うようにしたことを特徴とする連続式油化装置である。
従って、前記の機器類で構成した連続式油化装置では、加熱負担が軽減され、無理なく廃棄プラスチックを分解できるので、炭化物の生成がなく、残渣の発生も少ない連続式油化装置を提供できる。

請求項２は、前記計量器が、前記廃棄プラスチックを計量して供給できる機能を備え、その前記計量器に対する前記廃棄プラスチックの供給量は、前記気化槽に取付けられた液面検出器からの電気指令で行い、前記気化槽の液面が常時一定の範囲に収まるように、電気制御することを特徴とする請求項１記載の連続式油化装置である。
従って、前記気化槽では液面が常時安定し、理想的に気化できるので収率の高い生成油となる。また、前記計量器が設置されることで工程中の廃棄プラスチックの処理量が常時把握できるので、作業の運用に貢献できる。

請求項３は、前記液化タンクが、二重管であって垂直方向内部に内側管と外部に外側管を有し、内側管上面端は、前記廃棄プラスチックが下方に流入できるように開口し、内側管下面端は前記廃棄プラスチックが外側管の内側部分に流出できる隙間空間を有し、内側管の外径と外側管の内径でなる隙間空間はそれぞれ上面端で密閉され、外側管下面端は密閉され、外側管には加熱する加熱部を設け、外側管の上部側面には前記廃棄プラスチックが流出できる流出口を有し、流出口には温度を計測する計測部を設けた、ことを特徴とする請求項１及び２記載の連続式油化装置である。
従って、二重管構造があることで廃棄プラスチックを適正に加熱することができ、また、廃棄プラスチックが気化して廃棄プラスチックの供給口に逆流することも防止できるので安全である。

請求項４は、前記気化槽が、液化した前記廃棄プラスチックを収容する底板部と、気化ガスを一次滞留させる空間部を持つ上蓋部が合わさって溶接接合され、前記底板部の形状は、長方形の板の短辺側を下側に湾曲して成形してなり、湾曲した両側面には湾曲に沿った側板が溶接接合され、上蓋部形状は、底板部上面に合わせた直方体でなり、全体的には密閉された箱型形状で、液化された前記廃棄プラスチックは、底板部と上蓋部の接合部付近を液面上限とし、湾曲の深さ寸法は３００ｍｍ以内とし、底板部外側には収容された前記廃棄プラスチックを加熱する加熱部を設けて気化させ、上蓋部の空間高さ寸法は２００ｍｍ以内とし、上蓋部に気化したガスの流出口を設けた、ことを特徴とする請求項１乃至３記載の連続式油化装置である。
従って、気化の過程で加熱負担が軽減され、粉末や重質成分が気化ガスに同伴することを防止できるので、生成油の収率を上げることができる。

請求項５は、前記気化槽が、液化された前記廃棄プラスチックの上面付近と下面付近の少なくとも二箇所に、液化温度を計測する計測部を設けたことを特徴とする請求項４記載の油化装置である。
従って、廃棄プラスチックの適正な温度管理が可能で、また、メンテナンス時期を予め予測できるので、作業管理にも役立つ。

請求項６は、前記酸化触媒式排ガス処理機は、多孔質粒状セラミックス担体に白金及びパラジウム又は白金とパラジウムの混合体の貴金属を担持した粒状セラミックス触媒を使用し、前記粒状セラミックス触媒は耐熱性の金属製のケースに充填し、前記粒状セラミックス触媒を加熱する加熱部を設けて排ガス通路に少なくとも二段以上に設置し、流入する炭化水素ガス類及び一酸化炭素を、適正な温度で酸化反応させて処理することを特徴とする請求項１乃至５記載の連続式油化装置である。
従って、油化されないガス類の発生が、不安定な状態で発生しても確実に浄化処理でき、触媒酸化反応熱による異常高温を避けることができるので、触媒が長期使用に耐えることが可能となる。

本発明は、油の収率が高いPE、PP、PS、ABS樹脂に限定して油化し、その油化する主な構成機器として、溶融から液化までの両工程を受持つ液化タンクと、気化面積が大きい気化槽を備えて適正加熱制御を行っているので、加熱負担が少なく、残渣の発生及び炭化物の生成が抑制され、９０％以上の生成油の収率が達成できる。有害ガス処理では、防爆と異常燃焼防止及び省電の酸化触媒式排ガス処理機を備えているので、従来の大型プラントとは異なり、省スペース化の実現で、収率良く廃棄プラスチックを燃料化でき、メンテナンスが少なく、運転及び操作が楽にできるので取扱の専門家を必要とせず、設置場所を選ぶ必要がないなど、コストパフォーマンスが高い実用化装置が提供できる。

プラスチックの油化原理は、加熱により固形物が溶融して液化し、さらに加熱することで高分子組成が切断されて低分子化し、分解を生じると分解温度などに応じた種々の分子量を持つ気化成分が発生し、この気化成分を冷却することで一定の組成を持った油が得られる。そして、補助燃料として使用できる生成油を収率良く得るには、廃棄プラスチックが均一に適正加熱されるような装置構造と、それに対する加熱制御が必須となる。従来技術の油化装置では、廃棄プラスチックの分解過程の機器が、必ずしも廃棄プラスチックの均一加熱に重点が置かれていないことを指摘したい。

本発明では、スクリューコンベアの回転動作によって、廃棄プラスチックを圧縮・搬送する工程中に、ヒーターによる外部加熱で溶融化させて、二重管を有する液化タンクに送って液化し、その液化温度を維持した状態で、気化槽に流入させ、液化した廃棄プラスチックの温度を均一に安定維持して、気化させやすくしている。

前記内容について図面に基づいて説明する。
図２は、本発明の全体図を示す鳥瞰図で、図３は一部の機器を除いた全体側面図を示し、そこに図示した廃棄プラスチックを油化する機器類は、計量器１、スクリューコンベア２、液化タンク３、気化槽４、冷却器５、及び分離器６で構成され、その工程で油化された生成油を貯蔵するフィルタ浄化式油貯留タンク７、及び油にならず排出されるガスを浄化する、酸化触媒式排ガス処理機８が付設されている。

廃棄プラスチックの投入から圧縮搬送までを図４及び図５により説明する。
図５は、図４平面図の断面図で、スクリューコンベア２を主に示している。計量器１には、ホッパー１０が上部に設置され、裁断された廃棄プラスチックが一定量貯留され、また、廃棄プラスチックの供給量の制御と供給した量が記録できるコンベア１１が下面に設置され、気化槽の液面位置指令で回転作動し、スクリューコンベア２に適宜供給される。

スクリューコンベア２は、電動モーター１２を駆動源とし、カップリング１３、軸受１４を介して、スクリュー１５が接続され、そのスクリュー１５の外周は隙間なく回転できるシリンダー１６で保持されおり、そのシリンダー１６には、計量器１からの廃棄プラスチック供給口１７が設けられている。また、スクリュー１６の先端部は、液化タンク３の入口管２０まで伸びて、廃棄プラスチックの搬送が確実に行えるようにしている。また、中間部から先端部の廃棄プラスチックが圧縮されて搬送される部分のシリンダー１６の外周には、防熱体１９で囲ったヒーター１８を巻回して、廃棄プラスチックが溶融するように加熱される。尚、廃棄プラスチックの溶融状態は、ゼリー状で送り抵抗が大きいので、それに対応した駆動モーターとスクリューコンベアの強度を有している。

廃プラスチックの液化について、図６〜図８の図面により説明する。
図６は、図５のB-B断面図を示しており、併設した液化タンク３の断面部分と外形を示す図である。

液化タンク３は、スクリューコンベア２の後段に位置し、入口管２０、二重管２３、出口管２４で主に構成され、その液化タンク３の入口管２０は、図７に示すように、スクリューコンベア２のフランジ１７と入口管２０のフランジ２１によりボルト接続され、入口管２０は、入口のフランジ２１から直進した後、平面から見て直ぐに直角方向の両方に分岐し、図６に示すように、エルボ形状で垂直下方へ伸び、出口のフランジ２２が、二重管２３の入口とボルト接続される。

二重管２３の内側管２４は、入口管２０の内径と等しく底板２５近くまで伸び、底板２５と一定の間隔を有して、廃棄プラスチックが内側管２４から外側管２５へ流れ込むようにし、二重管２３の外側管２５の上部は、フランジ２２の外形と同寸法の厚板で溶接接合により密閉され、外側管２５の下部は、底板２５とボルト接続される。

図６に示すように、外側管２５上部付近の内側には、併設される片方の外側管と直結した出口管２４で互いが接合され、図８に示すように、出口管２４の中間部からは、分岐して気化槽４側に水平に伸びて端面のフランジ２５は、気化槽４の入口管３０の先端フランジ３１とボルト接続される。
液化タンク３全体は、図６及び図７に示すように、その外周をヒーター２６、２９で巻回され、防熱体２７で囲って内部に有効に熱を伝えるとともに、外部への熱発散を防止している。

スクリューコンベア２によって、圧縮・搬送された廃棄プラスチックが、液化タンク３の入口管２０に流入するときは、気化が起きない３００℃程度の溶融状態が維持できるように、図７に示す入口管２０に取付けた熱電対２８で温度検知して、スクリューコンベア２のヒーター１８で加熱制御を行っている。そして、図６及び図７に示す入口管２０に巻回されたヒーター２６によって、３３０℃程度まで加熱昇温させながら、二重管２３の内側管２４に廃棄プラスチックを流入させ、図６の黒色太矢印で示すように、底板２５の上部で上昇に方向を転じ、内側管２４と外側管２３の間を上昇して流れる間に、出口管２４に取り付けた図８に示す熱電対３８の温度検知によって、ヒーター２９を加熱制御し３８０℃程度まで昇温して液化させている。従って、液化タンク３では、流入管３で３３０℃程度に溶融した廃棄プラスチックを３８０℃程度まで昇温し、液化するようにしている。尚、３８０℃以下の温度域では、液化は始まるが気化は起きない温度である。

本発明では前記したように、特徴的なのは液化タンク３の構造が二重管にした点である。二重管そのものは、熱交換器等では一般的に使用されており、それは、温度が異なる物質同士がそれぞれ仕切られた状態で熱交換されるが、一方、本発明では、温度が異なる同物質が、入口から流入し出口から流出する間に、熱交換して流れるようにした二重管構造である。

廃棄プラスチックが外側管２５の外部加熱で、液化した熱が、その内側の内側管２４に伝わり、内側管２４の内部では溶融が促進され、また、内側管２４の出口が外側管２５の入口に流路が変わるときに、溶融した廃棄プラスチックが底部に衝突して混練されて温度が均一になることで、外側管２５でのヒーターの加熱負担が軽減され、液化することができる。

また、外側管２５での外部加熱では、廃棄プラスチックの伝熱距離が短いため、短時間加熱によって液化することができ、内側管２４では、外部に露出していないので加熱効率が良く、廃棄プラスチックの溶融が進行しやすくなる。さらに、二重管構造では、溶融から液化までの工程が同位置で行えるので省スペース化が実現できる。その他、スクリューコンベア２の圧縮・搬送が停止すると、スクリューコンベア２に液化タンクからの気化ガスの逆流も懸念されるが、二重管構造にしていることで、逆流現象は防止でき安全である。
尚、液化タンク３は、容積や長さを変えることで１台でも対応できる。
廃棄プラスチックの気化について、図９から図１１により説明する。

図１０は図９平面図の断面図で、気化槽４に廃棄プラスチックが流入する方向から見た断面を示す。
気化槽４には、液化タンク３側に一定量の長さを持つ入口管３０が設けられ、フランジ３１と液化タンク３側の出口管２４のフランジ２５は、ボルト接続され、液化タンク３で液化された廃棄プラスチックが流入する。

また、入口管３０には、防熱体３２で囲われた図示していないヒーターが巻回され、熱電対３３の温度検知で、４００℃程度まで入口管３０内で加熱制御して、流動性を持った液化状態の廃棄プラスチックを気化槽４に流入させる。
気化槽４には図１０に示すように、液が最も深い流入方向の中心部に、４本の熱電対３４及び３５をそれぞれ取付けて、液上部２ヶ所及び液下部２ヶ所の温度を測定するようにしている。これは、気化槽内部温度の均一化を常時監視するためであり、特に、液下部の温度は、長期使用等により炭化層の発生と残渣の蓄積によって、熱伝導が阻害され低下することがあるので、メンテナンス時期の目安になる。

気化槽４の液化温度の加熱制御は、液上部の熱電対３４による２ヶ所で温度検知し、防熱体３２で囲われたヒーター３６の加熱制御によって行われる。
気化槽の液面位置は、液面計３７により検知され、液化タンク３の出口管２４上部と同レベルになるように、常時制御される。その制御は、計量器１のコンベア１１の供給量増減で調整される。

気化槽４に示した黒塗り矢印は、液化した廃棄プラスチックの流入方向を示し、白抜き矢印は、液面から気化するガスの流れをそれぞれ示している。
図１１は、液化タンク３から廃棄プラスチックが流れてくる方向を見た気化槽４の中心断面を示し、気化槽４から上方に立ち上がって中間でフランジ接続される還流管３９及び４０、冷却器５、分離器６、及びフィルタ浄化式油貯留タンク７のそれぞれの断面を示している。

気化槽４の形状は、底板部が湾曲した、逆蒲鉾型の薄型形状にしており、その湾曲部外側面全体は、防熱体３２で囲ったヒーター３６が設けられ、液化温度が常時４００℃を超す程度に加熱して維持される。
また、気化槽４の液面上部に当たる形状は、気化面積広い長方形の箱型形状にし、気化されたガスの再加熱を防止し、炭化抑制を図るため、ヒーター等は備えず、放熱が促進できるようにしている。

前記の気化槽４の構造では、気化面積を広くして液深さを可能な限り浅くしているが、それは液面に対する気化圧の低減と、伝熱面積を広くすることで加熱時の電力密度が下がり、底板部の炭化層の形成を減すことができる。
例えば、本発明とは逆に液深さを十分に確保し気化面積を狭くした場合、内部まで均一に加熱することが困難になるので異常過熱になりやすく、液の内部で気化ガスが発生して液面では突沸状態となり、気化するガス中に炭化物等の粉末が同伴することになり、生成油が粗悪になることに繋がることがある。

図１１において、気化槽４から立ち上がる還流管３９及び４０は、気化ガスが上昇流出して冷却器５に流入させるためのものであるが、この還流管３９及び４０は、一定の長さと内径を有し、適切な流速になるようにして、気化ガス中に重質成分等が混入しても、管内を上昇する間に下方へ戻す役目を担っている。また、一定の長さがあることで、放熱されるので冷却効果もある。

冷却器５は、図２に示すチラー９によって、水等の冷媒をポンプで循環させ、その循環パイプ４１を冷却器５内に配管して、気化ガスと接触させて冷却して油化し、油化された成分は接続管４２を通じて下方へ流出させている。
冷却器５の内部構造は、図１１に示すように、気化ガスが蛇行して流れ、チラー９によって冷媒が循環される循環パイプ４１と多頻度で接触するようにして、油化する適切な温度まで低下するようにしている。尚、冷却器の構造は、一例として示した図で、気化ガスを効率よく冷却できれば、他の構造であってもいい。

冷却器５の下部には、図１１に示すように、油化した生成物とそれに含まれた油化しない炭化水素ガス類を、分離する分離器６を備えている。
分離器６は、廃棄プラスチックの油化において、炭素分子が５以下の１０％程度の炭化水素ガス類として排出されるので、油成分に含まれたガスを分離できる空間を形成おり、VOCは、上部のガス出口管４３から排出される。
また、油成分には、幾分かのタール等の重質成分が含まれることがあるので、それを底部に沈殿させるため、図１１に示すように、油回収管４４を、分離器６の中間付近まで伸ばし、沈殿物が分離器６から流出しにくいようにして、そこから油成分のみを下部方向に流出させるようにしている。

沈殿物は分離器６の底部から排出バルブ４５を通じ、定期的に取出せる。
分離器６の下部には、図１１に示すように、生成された油を最終的に貯蔵するフィルタ浄化式油貯留タンク７（以後、タンク７という）が設置される。
タンク７に貯蔵された生成油は、直接補助燃料として使えるようにするために、不純物が可能な限り含まれないようにしている。

タンク７は、分離器６の油回収管４４の下部端面が、タンク７の内部まで一定量差し込まれ、油回収管４４のフランジ４６がタンク７の上部にボルトで接続固定される。

油回収管４４の下部には、流入管４７がタンク７内に立設され、そこに流入する油は、下部の底板ケース４８に流入し、そこから上方へ立ち上がる、パイプ形状のフィルタ４９内部に流入して濾過されタンク７内に貯蔵される。
不純物が流入したときは、底板ケース４８に沈殿するかフィルタ４９で濾過されるため、タンク７の生成油はそのまま使用できる。
また、底板ケース４８は、バルブ５０を取付けて定期的に不純物を取出すことができ、タンク７の底板部にはボルト接合されているため、取外して洗浄もできる。

フィルタ４９は、タンク７の上面の穴から差込んでセットできるようにし、上部には蓋５１を被せているので、そこから油量及び汚れ具合が判断でき、フ
ィルタ４９を交換する場合は、抜差しするだけでいいので簡単である。
生成油を使用するときは、タンク７の側面下部にあるバルブ５２を開放することで取出せる。

図１２及び図１３の酸化触媒式排ガス処理機８（以後、ガス処理機８という）について説明する。
本発明のガス処理機８は、廃棄プラスチックの油化の過程で油に変化せず、炭化水素ガスとして大気に排出されるVOCを無害化する装置である。
一般的なガス処理は、化石燃料等を使用するバーナー等の助燃装置によって、炭化水素ガスを常時８００℃以上の高温で、火炎燃焼させ無害化する方式が知られているが、油化過程における炭化水素ガス類は、不規則に発生するので、燃料を定量噴射する助燃装置では、無駄に燃料が消費されることがある。

一方、本発明の酸化触媒方式は、ヒーター加熱によって３００℃程度に触媒層を加熱することで、触媒が活性化され、炭化水素ガス類を前記の助燃装置と同様に無害化でき、また、炭化水素ガス流入量に比例した反応熱も発生するため、ガス量が多い時は、自己燃焼熱で触媒層が加熱されるので、ヒーターはOFFになり省電も可能となる。

本発明では、炭化水素ガス類に含まれるタール成分等による目詰まりが発生しにくい、粒状セラミック酸化触媒を採用することで、低温度によるガス類の浄化が図れるので、電力量の節減による省エネ効果と、環境保全及び安全性が保たれる実用稼働ができる。
尚、粒状セラミック酸化触媒は特許第４０５５７１０号に記載された構成のものを使用することが好ましい。

ガス処理機８の火炎逆流防止器５３について図１２により説明する。
油化されない炭化水素ガス類は、図１１に示す分離器６のガス出口管４３から排出され、図１２の左側に示すように、水平に配管された後、垂直に下降して、ガス処理機８の下部入口に設置される火炎逆流防止器５３に流入する。
炭化水素類の主成分は、メタン（CH_４）、エテン（C_２H_４）、エタン（C_２H_６）、プロペン（C_３H_６）、アレン（C_３H_４）、ブテン（C_４H_８）、ペンテン（C_５H_１０）等で、その他一酸化炭素（CO）も含まれ、それらのほとんどは可燃ガス類なので、可燃ガスが自然発火する温度になったところに、空気中の酸素が加わると、燃焼することになる。

酸化触媒方式は、触媒の入口を３００℃程度に昇温しておくと、触媒活性によりガス浄化が可能なため、内部にヒーターを取付けており、そこに流入したガスがヒーターの発熱により自然発火した場合に備えて、火炎逆流防止器５３を設置している。

火炎逆流防止器５３の構造について説明すると、分離器６のガス出口管４３の先端部フランジ５４が、火炎逆流防止器５３上部にボルト接続されており、火炎逆流防止器５３の外形は、パイプ形状で、中間部はフランジ接合により上部ケース５５と、下部ケース５６に分離しており、上部ケース５５の内部には、ガス出口管４３と同径の貫通した流入管５７を有し、流入管５７と上部ケース５５のそれぞれの下側面は同一面になっており、流入管５７の外周と上部ケース５５の内周は、金属製の穴あきプレートのパンチングメタル５８が溶接接合され、そこに、１０ｍｍ程度の粒状のセラミック製担体５９が一定量充填されている。また、上部ケース５５の上部付近のガス処理機８側には、ガス流出口６０を有し、そのフランジ６１はガス処理機８にボルト接合される。

下部ケース５６は、上部ケース５５と同径で、内部全体が空間部を形成した密閉構造で、流入管５７から流れてきたガスは、滞留した後上昇して、上部ケース５５のパンチングメタル５８から担体５９の充填層内を通過して、ガス処理機８内に流入する。また、下部ケース５６は、タールの重質成分等が堆積した場合に、排出できるバルブ６２を設けている。

前記した構造での火炎逆流防止器５３は、逆流した火炎は担体層で熱が奪われて急冷することで遮断され、装置保護等の安全面が確保される。
担体は、高温に耐えて１０ｍｍ程度の粒状セラミック製、例えばアルミナボールが使用でき、それらの重なり合った多数の隙間がガス通路となるので、通常のガスの流れを阻害することはなく、ガスにタールの重質成分等が混入して流入しても、多数の隙間が形成されていることで、目詰まりはしにくい。
炭化水素ガスの浄化について説明すると、ガス処理機８本体内部に、触媒を挿入した触媒カートリッジ６３が、上下２段に配置され、その下側にはヒーター６４が水平多列に設置され、本体上部には、流入ガスと外気を吸引する吸引ファン６５が設置されている。

前記の構成により、ヒーター６４で加熱された下段の触媒カートリッジ６３が３００℃に程度に達すると、炭化水素ガス類の浄化体制が整えられるので稼働運転が開始できる。尚、ガス温度を検知する熱電対は図示していないが、ヒーター部、触媒層内、吸引ファン入口、及び排気口にそれぞれ備えて温度測定し、ヒーターの加熱制御や空気流入量が調整できるようにしている。
火炎逆流防止器５３を通過したガスは、吸引ファン６５の吸引力によって強制的に下段の触媒カートリッジ６３に流入し、そこに外気も流入して混合ガスとなり、触媒の活性化反応により、炭化水素ガスは酸素と反応して水と二酸化炭素に無害化される。その反応式は以下のようになる。
CｘHｙ＋ O_２ → H_２O ＋ CO_２

ガス処理機８を図１２、図１３、及び図１４により説明する。
ガス処理機８は、鋼板製の２重構造体の溶接構造で成り、外部への熱発散を防止している。
ガス処理機８の上部には、吸引ファン６５が取付られ、吸引側にはパイプ構造の吸引管６７が一定の長さで突き出ており、その先端には吸引ファン６５自体を冷却する空気孔６８が設けられ、吸引管の中間部は下側に分岐しており、その先端にはフランジ６９が取付けられ、天板７０上面にボルト接続され、触媒層で浄化されたガスはここから吸引され、吸引ファン６５の排気口７１から大気へ排出される。

天板７０は、本体６６上部とそれぞれボルトでフランジ接続され、内部は空間になっており、側面の１箇所には図１２の矢印で示すように空気口７２を設けて、吸引される空気が本体に供給されるように、天板７０下面１箇所に通気口７３を設け、本体６６上面にも同位置に空気口を設けて、吸引ファン６５によって、外気が触媒カートリッジ６３内に供給される。また、天板７０の空間部には、吸引管６７に接続されるパイプが上下に貫通するように接合され、触媒層で浄化された高温のガスと、常温の外気とが熱交換されるようにしている。
本体６６は、上面と下面は一枚板で溶接密閉されるが、側面は２重に板が溶接され、上面は天板７０とフランジでボルト接続され、空気口７３と浄化ガス通気口７４が設けられている。

２重構造の側板の構造を説明すると、図１２で示すように左片側の内側側板７５は、触媒カートリッジ６３が配置される位置に、空気供給口７６が上下に設けられ、外側側板７７は、下部付近に火炎逆流防止器５３がフランジ６１によってボルト接続されている。

一方の右内側側板７８は、触媒カートリッジ６３がセットされる角穴７９が上下に設けられ、また、上下の触媒カートリッジ６３の中間には、流入ガスが自然発火した場合のガスが流入する流入ガス口８０が設けられ、下段触媒カートリッジ６３の下方には、前記の自然発火ガスの排気口８１と、通常は閉じておくための蓋８２が、ヒンジピンを支点にして揺動できるようにセットされている。自然発火は、瞬時に発生する小爆発現象になるので、その時のガス膨張圧によって蓋８２が押し開かれ、ガス排出後は、吸引ファン６５の吸引力によって密閉されるようになっている。

右外側側板８３は、触媒カートリッジ６３の断面外形寸法に合った角穴８４が開けられ、触媒カートリッジ６３を本体６６に挿入した後、外側側板８３と気密にボルト固定される。触媒は使用状況によって異なるが２〜５年程度の寿命があり、寿命に達してガス浄化能力が落ちたときは、触媒カートリッジ６３を抜き出して、新たな触媒カートリッジと交換できるようにしている。

前記の二重構造の側板と直交する側板の構造は、図１３に示すように、それぞれの内側側板は、触媒カートリッジ６３の側面とは、ガスの通抜けがなくスライドできる最小の隙間があり、左片側の側板には、棒状丸型のヒーター６４が貫通できる丸穴が開けられ、その外側側板は、ヒーター６４がボルトで取付られている。一方の右側板は密閉構造になっている。また、二重構造の側板で形成された４箇所の空間部はそれぞれ密閉された構造で、必要のある穴以外は外気及び内部ガス通路とは遮断されている。

触媒カートリッジ６３について説明すると、図１２に白抜き矢印で示すように、ガスは吸引ファン６５の吸引力によって、下方左側から流入したガスは、本体６６の外側側板７７から内側側板７５内部まで、貫通するパイプが溶接接合された流入口８５があり、すぐの上部は内側側板７５から右側側板７８近くまで水平の板で仕切られているので、その下方を直進して、開口部８６から上方に流れ、多列、水平に配置されたヒーターを通り抜け、下段の触媒カートリッジ６３の左下面の多列に穴加工されたパンチングメタル８７から触媒層へ流入する。触媒層はヒーター６４によって、予め活性化温度まで加熱し、流入したガスは外気と混合され、そこで浄化処理されて、右上面のパンチングメタル８８から排出される。排出されたガスは、下段の触媒カートリッジ６３と同構造の上段の触媒カートリッジ６３に流入し、浄化処理された後、浄化ガス通気口７４から排出される。

本発明では、最大ガス量に見合った触媒を、２段に小分けして配置し、１段目で未処理になって排出されるガスは、２段目で完全処理するようにしている。通常の平均化されたガス排出量では、１段目の触媒カートリッジ６３のみで処理できるが、油化処理では、不規則にガスが発生するので、一時的に多量のガスが発生した場合、触媒層内では反応熱により異常に高温になることがあり、高温に晒された触媒は、白金を担持しており、その白金がシンタリング現象によって凝固して機能を失う場合がある。前記した理由により、多量のガスが１段目に流入しても、小分けされた触媒は、その触媒量に見合った反応熱に止まることで異常な高温化が避けられ、その場合は未処理ガスも排出されるが２段目で処理できる。

また、一段目の触媒カートリッジ６３はヒーターで加熱されるが、２段目はヒーターの加熱手段がなくても、一段目の連続的に発生する反応熱によって加熱される。尚、場合によっては２段目にもヒーターを取付けても良く、また、触媒カートリッジは２段以上に配置されても良い。

触媒カートリッジ６３の構造を、図１４によって説明すると、全体は耐熱性鋼板製の角形溶接構造体で、フランジ８９の取付面から触媒層までは、両側側板内に上下方向が貫通した一定量の空間を有し、この空間は図１２に示すように、本体６６にセットされた時のガス通路となる。触媒層は鋼板製で囲って、その中に触媒が充填されており、図１２で示すように、下面左側及び上面は右側にガス流入と流出部分、そして、本体６６の内側側板７５に接触する面は、外気の流入部分として、それぞれ、多列穴あきのパンチングメタル８７、８８及び９０が溶接接合され、白抜き矢印で示すように、触媒層ではガスが混合ガスとなり水平方向に流れるので満遍なく触媒と接触して酸化反応することができる。

本発明では、５０ｋｇ／時間の処理が可能な主な装置の寸法を下記に示す。
１）計量機計量範囲：２〜３０００ℓ／時間
２）スクリューコンベアスクリュー径：φ７０ｍｍ
長さ：２２００ｍｍ
３）液化タンク内側管径：φ１４０ｍｍ
外側管径：φ１９０ｍｍ
長さ：６００ｍｍ
設置数：２基
４）気化槽平面寸法（幅×長さ）：１５００ｍｍ×２０００ｍｍ
気化面積：３ｍ^２
最大液深さ：２７０ｍｍ
最大液収容量：５４０ℓ

本発明は、油化に適した廃棄プラスチックの材質に限定し、また、油の収率が高い機能を持つ装置で構成し、処理能力は、３ｋｇ／時間ないし２００ｋｇ／時間程度の連続処理に最適で、生成油はそのまま補助燃料として使用でき、さらに、有害物質及び有害ガスの発生がなく、残渣量が少ないことでメンテナンス頻度が少ないなどの、経済性と安全性及び取扱いやすさを有する連続式油化装置なので、その特徴をさらに生かして、廃棄プラスチックが一定量以上発生する場所等に設置すると分別も容易となり、一層、実用性が高い装置となる。例えば、廃棄物の長距離移動による輸送経費が伴わない事業所単位や比較的小さな島等の廃棄物発生場所及びその近隣に装置を設置して、そこで生成した油は、その事業所等の発電機やディーゼルエンジン等の補助燃料ないしはボイラー用燃料に利用することができれば、廃棄物の有効利用としては最適となる。

本発明の油化までの流れ工程とその機器構成を示した表である。油化装置全体の鳥瞰図を示した図である。酸化触媒式排ガス処理機８が省略された、フィルタ浄化式油貯留タンク７側から見た油化装置の側面図である。計量器１、スクリューコンベア２、及び液化タンク３の平面図である。図４のA-A断面図で、計量器１、スクリューコンベア２、液化タンク３の側面図である。図５のB-B断面図で、液化タンク３の断面と外形を示した正面図である。図６のC-C断面図で、スクリューコンベア２の先端部と液化タンク３の入口管２０を示した平面図である。図６のD-D断面図で、液化タンク３の二重管２３を示した平面図である。液化タンク３と気化槽４の平面図である。図９のE-E断面図で、液化タンク３の外形と気化槽４の断面の側面図である。液化タンク３から廃棄プラスチックが流れてくる方向を見た気化槽４、還流管３９及び４０、冷却器５、分離器６、及びフィルタ浄化式油貯留タンク７のそれぞれの断面を示した図である。酸化触媒式排ガス処理機８の正面断面図である。酸化触媒式排ガス処理機８の側面断面図である。触媒カートリッジ６３の立体図である。

１計量器
２スクリューコンベア
３液化タンク
４気化槽
５冷却器
６分離器
７フィルタ浄化式油貯留タンク
８酸化触媒式排ガス処理機
９チラー
１０ホッパー
１１コンベア
１２電動モーター
１３カップリング
１４軸受
１５スクリュー
１６シリンダー
１７、２１、２２、フランジ
１８、２６、２９、３６ヒーター
１９、２７、２８、３２防熱体
２０入口管
２３二重管
２４内側管
２５底板
３０入口管
３１、４６、５４フランジ
３３、３４、３５熱電対
３７液面計
３８熱電対
３９、４０還流管
４１循環パイプ
４２接続管
４３ガス出口管
４４油回収管
４５バルブ
４７流入管
４８底板ケース
４９フィルタ
５０バルブ
５１蓋
５２バルブ
５３火炎逆流防止器
５５上部ケース
５６下部ケース
５７流入管
５８パンチングメタル
５９担体
６０ガス流出口
６１、６９フランジ
６２バルブ
６３触媒カートリッジ
６４ヒーター
６５吸引ファン
６６本体
６７吸引管
６８空気口
７０天板
７１排気口
７２、７３、７６空気口
７４浄化ガス通気口
７５、７８内側側板
７７、８３外側側板
７９、８４角穴
８０流入ガス口
８１排気口
８２蓋
８５流入口
８６開口部
８７、８８、９０パンチングメタル
８９フランジ

Claims

裁断した廃棄プラスチックを計量して供給する計量器と、計量器から供給された廃棄プラスチックを加熱する加熱部を設けて溶融状態にして搬送するスクリューコンベアと、溶融状態の廃棄プラスチックを加熱する加熱部を設けて液化する液化タンクと、液化された廃棄プラスチックを気化させる気化槽と、気化されたガス状の成分を冷却する冷却器と、冷却された成分を油と低分子ガスに分離する分離器と、生成された油を貯留する油貯留タンクと、低分子ガスは触媒で浄化する酸化触媒式排ガス処理機とを具備した廃棄プラスチックを油化する連続式油化装置であって、廃棄プラスチックは、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリスチレン、及びABS樹脂に限定して油化し、生成油はそのまま補助燃料に使うようにしたことを特徴とする連続式油化装置。
前記計量器は、前記廃棄プラスチックを計量して供給できる機能を備え、その前記計量器に対する前記廃棄プラスチックの供給量は、前記気化槽に取付けられた液面検出器からの電気指令で行い、前記気化槽の液面が常時一定の範囲に収まるように、電気制御することを特徴とする請求項１記載の連続式油化装置。
前記液化タンクは、二重管であって垂直方向内部に内側管と外部に外側管を有し、前記内側管上面端は、前記廃棄プラスチックが下方に流入できるように開口し、前記内側管下面端は前記廃棄プラスチックが前記外側管の内側部分に流出できる隙間空間を有し、前記内側管の外径と前記外側管の内径でなる隙間空間はそれぞれ上面端で密閉され、前記外側管下面端は密閉され、前記外側管には加熱する加熱部を設け、前記外側管の上部側面には前記廃棄プラスチックが流出できる流出口を有し、前記流出口には温度を計測する計測部を設けた、ことを特徴とする請求項１及び２記載の連続式油化装置。
前記気化槽は、液化した前記廃棄プラスチックを収容する底板部と、気化ガスを一次滞留させる空間部を持つ上蓋部が合わさって溶接接合され、前記底板部の形状は、長方形の板の短辺側を下側に湾曲して成形してなり、前記湾曲した両側面には前記湾曲に沿った側板が溶接接合され、前記上蓋部形状は、前記底板部上面に合わせた直方体でなり、全体的には密閉された箱型形状で、液化された前記廃棄プラスチックは、前記底板部と前記上蓋部の接合部付近を液面上限とし、前記湾曲の深さ寸法は３００ｍｍ以内とし、前記底板部外側には収容された前記廃棄プラスチックを加熱する加熱部を設けて気化させ、前記上蓋部の空間高さ寸法は２００ｍｍ以内とし、前記上蓋部に気化したガスの流出口を設けた、ことを特徴とする請求項１乃至３記載の連続式油化装置。
前記気化槽は、液化された前記廃棄プラスチックの上面付近と下面付近の少なくとも二箇所に、液化温度を計測する計測部を設け、たことを特徴とする請求項４記載の連続式油化装置。
前記酸化触媒式排ガス処理機は、多孔質粒状セラミックス担体に白金及びパラジウム又は白金とパラジウムの混合体の貴金属を担持した粒状セラミックス触媒を使用し、前記粒状セラミックス触媒は耐熱性の金属製のケースに充填し、前記粒状セラミックス触媒を加熱する加熱部を設けて排ガス通路に少なくとも二段以上に設置し、流入する炭化水素ガス類及び一酸化炭素を、適正な温度で酸化反応させて処理することを特徴とする請求項１乃至５記載の連続式油化装置。